Газизов - ЭСиУРС

аспекты являются общими и применимы к любому типу критичной РЭА [151], делается попытка рассмотреть и частный случай авионики как один из самых критичных и показательных для других типов РЭА [152, 153].

THESE DE DOCTORAT

DE L'UNIVERSITE PARIS XI - ORSAY

Specialite : Electronique Presentee par

Laurent PALETTA

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR EN SCIENCES DE L'UNIVERSITE PARIS XI ORSAY

DEMARCHE TOPOLOGIQUE POUR L'ETUDE DES

COUPLAGES ELECTROMAGNETIQUES SUR DES SYSTEMES DE CABLAGES INDUSTRIELS

DE GRANDE DIMENSION

а

б

191

в

Рис. 3.2. Диссертация Палетта: титульный лист (а), испытательный самолет (б), фрагмент кабельной разводки (в)

3.2. Источники

По данным на 1998 г. (табл. 3.2 [154]), узкополосные источники электромагнитного (ЭМ) излучения способны генерировать в полосе частот 0,5–10 ГГц пиковую мощность в антенне 0,1–20 ГВт, создавая на расстоянии 100 м электрические поля 20–300 кВ/м. Аналогичные величины для широкополосных (0,1–50 ГГц) источников: 2–20 ГВт и 4–20 кВ/м.

192

Рассмотрим данные, касающиеся конкретных приборов. Что касается узкополосной генерации, то, например, от виркаторов получена мощность 0,17–40 ГВт в сантиметровом и дециметровом диапазонах [142], а мощность современных релятивистских генераторов оценивается в 20– 80 ГВт [155]. Для генерации широкополосных импульсов разработаны различные технологии: от гигантского одиночного импульса контролируемого взрыва до большого числа импульсов с высокой частотой повторения. В частности, для одиночного импульса взрывомагнитных генераторов достигнута генерация тока в десятки мегаампер и пиковой мощности в десятки тераватт [142]. На основе разряда газа высокого давления возможна генерация миллиона импульсов с частотой повторения в несколько килогерц при напряжении более пяти мегавольт и мощности в сотни гигаватт в наносекундном диапазоне. На кремниевых приборах, основанных на эффектах сверхбыстрого восстановления напряжения и обратимого пробоя, достигнуты напряжения до 100 кВ для времени фронта импульса <1 нс (пиковая мощность до 100 МВт) и до 20 кВ для 100 пс (>10 МВт). Благодаря таким особенностям этих приборов, как дешевизна, почти неограниченный ресурс и высокая стабильность, стала возможной разработка простых и компактных генераторов импульсов пиковой мощностью в сотни киловатт с частотой повторения вплоть до нескольких мегагерц. Чрезвычайно малый джиттер этих импульсов позволяет суммировать мощность большого числа генераторов [156].

Приведём характеристики уже работающих систем. Так, весьма показательна оценка напряжённости ЭМ поля, создаваемого подвижной станцией спутниковой связи SNG (рис. 3.3) [144]. Из неё следует, что пролетающий в луче самолёт будет около 0,15 с находиться в поле в 42 В/м, что может быть одного порядка с уровнями уязвимости оборудования.

60 E, В/м

Рис. 3.3. Моделирование поля на высоте 300 м, создаваемого пролетающему самолёту станцией SNG при угле высоты луча 30 градусов

193

Пример информационного оружия (дальность поражения 800 м в секторе 24°) – микроволновой генератор пиковой мощностью около 1 ГВт (265 кВ; 3,5 кА) с зеркальной антенной 3 м. Другой пример – фазированная антенная решётка из 144 твердотельных излучателей импульсов (длительностью <1 нс), имеющая общую мощность 1 ГВт и работающая на несколько целей [142]. Генератор импульсов (±200 кВ; 3,5 нс; 100 Гц) импульсной мощностью 3,2 ГВт способен работать в течение 20 мин с перерывами 1,5 часа, создавая 1,3 ГВт импульсного поля вертикальной поляризации [157]. Новая антенна для решёток, управляемых подобным генератором позволяет излучение мощных и более коротких (<1 нс) импульсов [158].

Для малогабаритных переносных источников ПЭМП, характеристики и, в конечном счёте, цена определяются возможностями источника, запасающего энергию. Кейс на электролитических конденсаторах, запасающих 2 МДж/м3 энергии, стоимостью $10000–$15000 может вывести из строя до 20 компьютеров, а установка на ионисторах (10 МДж/м3, $50000) может быть достаточной для вывода из строя всех компьютеров большого вычислительного центра [142]. Наконец, электромагнитную (ЭМ) бомбу в кейсе, с дальностью действия в 500 м, можно купить по Интернету за $100000 [159]. Что касается возможных размеров, то генератор, например на 50 кВ и 2 кДж, может весить менее 50 кг [160].

3.3. Уязвимость

Трудно найти опубликованные данные по уязвимости авионики. Однако полезные косвенные оценки для сбоя и повреждения можно сделать из уровней уязвимости типового оборудования. Поскольку в состав многих систем входит персональный компьютер (ПК), то весьма важно знать уровни уязвимости ПК к ЭМ воздействиям. Параметры ЭМ излучений, вызвавших нарушения работы различных ПК (с открытой крышкой), приведены в табл. 3.3 [161]. Как видно, уровень уязвимости ПК, не защищённого ЭМ экраном, сильно зависит от параметров микроволнового ЭМ воздействия и может составлять всего 30 В/м.

Проводились исследования уязвимости отдельных составляющих компьютерных систем к импульсному ЭМ воздействию. Вероятность сбоя при облучении материнской платы ПК показана: для разных импульсов на рис. 3.4, а для разных материнских плат на рис. 3.5. Уровни импульсного ЭМ поля со временем нарастания 2 нс и результаты его воздействия на разные сетевые кабели, подключенные к компьютеру, приведены в табл. 3.4 [162]. Результаты уязвимости при кондуктивном воздей-

194

ствии на кабельные входы разных сетевых плат приведены в табл. 3.5 [141]. Немонотонная зависимость вероятности сбоя от числа воздействующих импульсов отмечена в [141], но её причины не выявлены.

Т а б л и ц а 3.3

Описание испытываемых ПК, воздействующего поля и наблюдаемых эффектов

Рис. 3.4. Вероятность сбоя для платы Rocky-518 HV

спроцессором Pentium MMX 233 МГц при облучении импульсами

свременем нарастания–длительностью: 100 пс–2,5 нс (1); 1,5 нс–80 нс (2)

Рис. 3.5. Вероятность сбоя при облучении импульсом с временем нарастания 100 пс и длительностью 2,5 нс материнских плат:

SSC-5x86H DX4-S CPU 100 MHz (1) и Rocky-518 HV Pentium MMX CPU 233 MHz (2)

195

Т а б л и ц а 3.4

Уровни излучения и результаты его воздействия на различные кабели

Т а б л и ц а 3.5

Число сбоев/испытаний

при кондуктивном воздействии EFT импульсов (фронт 5 нс, ширина 50 нс) различного напряжения на кабельные входы разных сетевых плат

10Base-T

Весьма важной и неотъемлемой составляющей жизни общества стал автомобиль, функционирование многих систем которого зачастую становится критичным. В принципе, можно провести аналогию (хоть и весьма грубую) между современным автомобилем и малым вертолётом. В этой связи результаты мощного ЭМ воздействия на автомобиль (рис. 3.6) представляют особый интерес для оценки дальности возможного саботажа. Результаты такой оценки для двух источников разной мощности без экрана и с экраном с эффективностью экранирования (ЭЭ) 30 дБ приведены в табл. 3.6. Как видно, автомобиль, подвергаемый мощному микроволновому облучению от источника размером с кейс (100 кВт), получает сбой на расстоянии 50 м, а от источника размером с фургон (10 МВт) – сбой на 500 м и повреждение на 15 м [163].

196

1

Рис. 3.6. Микроволновая испытательная установка при испытаниях автомобиля: кабина дистанционного управления (1); система генерации микроволн (2); дизель генератор (3)

Т а б л и ц а 3.6

Оценка дальности действия для саботажа по результатам испытаний автомобиля на воздействие МВМ

*– может вызвать долговременное повреждение вблизи жертвы; **– может вызвать долговременное повреждение.

Что касается реального бортового оборудования, то прямые измерения уровней уязвимости оказались, в основном, около нескольких сотен В/м, тогда как для ≈5% оборудования – менее 100 В/м [144]. Однако некоторые косвенные оценки уязвимости авионики могут дать много меньшие уровни. Например, в соответствии с оценкой, использованной в [154], рассматривая сотовый телефон как причину 80% обнаруженных воздействий на авионику и уровень его излучения в несколько В/м на нескольких метрах, оценивается уязвимость авионики также в несколько В/м. Однако известна статистика NASA [147], по которой число зафиксированных случаев по типам источников: 25 – сотовый телефон; 25 – ноутбук; 14 – неизвестный источник; 13 – электронная игра; 13 – магнито-

197

фон; 12 – радио; 7 – CD плэйер; 3 – пэйджер; 2 – цифровой видео плэйер; по 1 – диктофон, калькулятор, телевизор, органайзер. Максимальные измеренные уровни излучения некоторых из них показаны на рис. 3.7 [147]. Таким образом, применение аналогичной оценки снижает уровень уязвимости авионики до 100 мкВ/м (см. табл. 3.7). Но это очень низкие уровни, свидетельствующие о том, что оценка уязвимости авионики по максимальному уровню излучения приборов, приводящих к её сбою, может быть некорректной.

Т а б л и ц а 3.7

Число инцидентов из-за переносных электронных приборов и их максимальные уровни излучения, измеренные на расстоянии 1 м, в диапазоне 10 кГц – 4 ГГц

Возникает естественный вопрос: как могут такие низкие уровни излучения нарушить работу авионики? Трудно ответить однозначно. Несомненный факт состоит в том, что появляются определённые условия, при которых создаются уровни поля, приводящие к сбою оборудования. Этот вопрос ещё будет затронут в следующем разделе, но прежде, в конце данного раздела рассмотрим некоторые детали возможных результатов ЭМ воздействий, касающиеся уязвимости.

Повреждение вызывается, как правило, тепловыми эффектами из-за рассеяния тепла; некоторые результаты воздействий мощных микроволн

198

на автомобиль описываются в [163]. Сбой появляется, когда ложные наведённые сигналы нарушают правильную работу схемы; описание различных аспектов сбоев можно найти в [141, 162, 164]. Одной из основных причин отказа всей системы является выход из строя полупроводникового прибора; подробный обзор этой проблемы можно найти в [165]. Модель Вунша–Белла даёт адекватную оценку энергии, достаточной для теплового повреждения полупроводникового прибора, в зависимости от длительности микроволнового импульса (>100 нс). Однако при уменьшении длительности импульса от 100 нс до 5 нс происходит значительное снижение (примерно в 10 раз) энергии повреждения (рис. 1 в [166]), показывающее, что именно электрическое поле, а не тепло является главной причиной повреждения. Кроме того, результаты недавних экспериментальных исследований воздействий микроволнового излучения на различные полупроводниковые диоды [155] выявили следующее:

1. Результаты влияния мощных микроволн на диоды могут проявиться не только в сбое из-за последствий детектирования воздействующего сигнала и в неустранимом повреждении диода из-за рассеяния тепла, но и в ряде промежуточных эффектов, вызываемых значительными изменениями различных характеристик диодов именно из-за воздействия электрического поля, а не тепла. (Например, прямое и обратное напряжения могут значительно снизиться; ёмкость может увеличиться примерно

в3 раза.)

2.Интенсивность мощных микроволн определяет не только степень этих изменений, но и время (до двух суток) возврата к прежнему состоянию до облучения (исключая неустранимое повреждение после облучения с критической интенсивностью).

3.Рост числа воздействовавших импульсов мощных микроволн вызывает не монотонное уменьшение, а периодическое возрастание и убывание напряжения, выпрямленного диодом (рис. 3.8).

Последний факт находится в соответствии с периодическим поведением аналогичной зависимости, представленной в более ранней работе [167] (рис. 3.9), и они оба могут помочь объяснить немонотонную зависимость вероятности сбоя от числа воздействующих импульсов из табл. 3.5. Можно предположить, что это связано с начинающимися процессами лавинной генерации носителей заряда в локальных областях переходов полупроводниковых приборов, а также с начинающимися процессами локального выжигания переходов, на их неоднородностях, шнуровыми токами.

199

20

дБ/имп.

0

–5

Рис. 3.9. Зависимость изменения потери преобразования смесителя от числа воздействовавших импульсов

3.4. Ослабление или усиление

Имея представление о порядках ЭМ воздействий и уровнях уязвимости типового оборудования, естественно рассмотреть возможности ослабления этих воздействий.

Известным способом ослабления ЭМ воздействий является экранирование. Однако даже в случае полностью замкнутых металлических поверхностей поле внутри может быть больше, чем снаружи; например в 3 раза, для электрического поля в центре полой сферы на резонансной час-

200